[論文レビュー] Chemical evolution of the Milky Way and its Satellites

F. Matteuccí|ArXiv.org|Apr 9, 2008

Astro and Planetary Science参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、星形成歴、初期質量関数、星からの元素産出、ガスの流入を統合した包括的な銀河系の化学的進化モデルを提示する。金属量の進化を模擬するもので、さまざまな銀河タイプにおける[O/Fe]などの主要な元素比を予測し、前身星の遅延時間分布（DTD）を用いることで、宇宙的Ia型超新星の発生率を推定している。観測データと良好な一致を示しており、銀河の化学的進化および宇宙的金属量予算の制約に寄与している。

ABSTRACT

This paper contains the lectures I delivered during the 37th Saas-Fee Advanced Course in March 2007. It reviews all the main ingredients necessary to build galactic chemical evolution models with particular attention to the Milky Way and the dwarf spheroidals of the Local Group. Both analytical and numerical models are discussed. Model results are compared to observations in order to infer constraints on stellar nucleosynthesis and on the formation and evolution of galaxies.Particular attention is devoted to interpret abundance ratios in galaxies with different star formation histories. Finally, the cosmic chemical evolution is discussed

研究の動機と目的

• 銀河系およびその衛星銀河の化学的進化を自己一貫性のあるモデルとして構築し、星形成、星からの元素産出、ガスの流入といった主要な物理的要因を統合すること。
• 楕円銀河や渦巻銀河といった異なる銀河タイプにおいて、金属量および[O/Fe]のような元素比が宇宙の歴史にわたってどのように進化するかを調査すること。
• すべての銀河タイプからの金属の噴出を考慮することで、宇宙全体および銀河間媒体（IGM）の総金属量を推定すること。
• 観測データと照らし合わせることで、Ia型超新星の前身星モデルを制約すること。
• 特にクラスター型と銀河系型の初期質量関数（IMF）の違いが、銀河の化学的豊かさの歴史にどのように影響を与えるかを評価すること。

提案手法

• モデルは、ガス質量とその化学的組成の時間的進化を記述する連立微分方程式を用い、初期条件、星形成率（SFR）、初期質量関数（IMF）を組み込む。
• SFRは、シュミット則（ψ ∝ σ_gas^k、k ≈ 1.4）を用いてモデル化し、全表面密度や回転速度に依存する代替形式も含む。
• IMFは、低質量星と高質量星のための異なる勾配を持つ多段階関数（例：Kroupa 2001）としてパラメータ化され、銀河系IMFは星団質量関数を統合して導出される。
• 星からの元素産出は、核融合モデルに基づき組み込まれ、星が超新星や星風によって生成した金属を銀河間媒体に戻す。
• 宇宙論的バリオン密度パラメータ（WMAPからの値）を用いて、すべての銀河からの金属噴出を合算し、銀河間媒体（IGM）の金属量を計算する。
• 宇宙的Ia型超新星発生率は、青光度単位（SNu）および銀河質量単位（SNuM）あたりで計算され、Mannucci et al. (2006)の観測データと、さまざまな遅延時間分布（DTD）を用いた予測を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 楕円銀河や渦巻銀河といった異なる銀河タイプにおいて、特に[O/Fe]のような化学的元素パターンはどのように進化するか？
• RQ2 銀河からの金属噴出と宇宙論的バリオン密度パラメータを考慮した場合、銀河間媒体（IGM）の金属量および宇宙全体の金属量はどの程度と予測されるか？
• RQ3 観測された宇宙的超新星発生率を最もよく再現するIa型超新星の前身星モデル（すなわち、遅延時間分布）はどれか？
• RQ4 初期質量関数（IMF）の選択、特に銀河系IMFが、銀河の化学的豊かさの歴史にどのように影響を与えるか？
• RQ5 異なる星形成歴およびガスの流入が、銀河系およびその衛星の予測された元素比の進化にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• モデルは、楕円銀河に対して星では0.4 dex、ガスでは-0.33 dexの[O/Fe]比を予測し、渦巻銀河に対しては星では0.1 dex、ガスでは0.01 dexを予測しており、観測傾向と整合的である。
• 銀河からの金属噴出と宇宙論的バリオン密度パラメータを用いた計算により、銀河間媒体（IGM）の平均金属量は6.54×10⁻⁴（太陽値の0.03倍）と推定された。
• 宇宙全体の平均金属量は0.0017（太陽値の0.09倍）と計算され、金属の大部分がIGMではなく銀河に閉じ込められていることを示している。
• 理論的宇宙的Ia型超新星発生率は、Mannucci et al. (2006)のDTDを用いることで、観測データと良好に一致しており、特に低赤方偏移域で顕著である。
• 銀河の化学的豊かさを正確に再現するには、高質量星領域で普遍的IMFよりも急勾配を示す銀河系IMFを用いる必要があるとモデルは示唆している。
• テストした2つのDTDすべてに対して、予測された発生率と観測データの一致は良好であるが、最高赤方偏移点の不確実性は依然として高く、より多くの高赤方偏移SN Iaの検出が求められている。